Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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ROULEMENT A BILLES HYBRIDE A CONTACT OBLIQUE,
ET BUTEE AXIALE LE COMPORTANT »
L'invention concerne un roulement à billes, du type à contact oblique,
comprenant une rangée de billes disposées entre et en contact roulant avec
une gorge de roulement intérieure d'une bague extérieure en acier et une
gorge de roulement extérieure d'une bague intérieure en acier, la gorge exté-
rieure ayant sa concavité tournée radialement vers l'extérieur du roulement
et,
de préférence également, axialement vers l'un des deux côtés du roulement, et
la gorge intérieure ayant sa concavité tournée radialement vers l'axe du roule-
ment et axialement vers l'autre côté du roulement, de sorte que les deux gor-
ges sont sensiblement en regard l'une de l'autre, les billes étant espacées
les
unes des autres en direction circonférentielle autour de l'axe du roulement
par
une cage à billes disposée entre les bagues.
~ 5 L' invention concerne plus particulièrement un roulement à billes du type
précité, destiné à être monté empilé axialement en batterie, avec d'autres rou-
lements du même type pour constituer une butée axiale à billes à partir de
roulements à billes de grande précision, par exemple de niveau ABEC7, en
particulier de qualité aéronautique.
2o Pour l'articulation en pas ou en incidence de pales de rotors arrière ou
principaux d'hélicoptères, par rapport au moyeu de ces rotors, on a déjà
utilisé
des butées axiales à billes, permettant simultanément de retenir chaque pale
contre la force centrifuge qui la sollicite lorsque le rotor est en rotation,
et de
commander sa rotation discontinue et sur une plage angulaire relativement fai-
25 ble, par rapport au moyeu, pour assurer le changement de pas de la pale.
Une
telle butée axiale est constituée d'une batterie de roulements à billes à
contact
oblique empilés axialement de sorte que leur contact oblique soit orienté dans
une même direction correspondant à un sens axial de charge de la butée à
billes.
3o Dans les roulements à billes à contact oblique utilisés pour constituer de
telles butées axiales à billes, les billes et les bagues sont en acier. Ceci a
pour
inconvénient qu'un phénomène de faux-brinelling au niveau des contacts entre
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les billes et les bagues en acier provoque des usures localisées correspondant
à l'amplitude d'oscillation des pales en pas, sous une fréquence particulière,
correspondant à la commande de pas, et qui peut être par exemple de l'ordre
de 24 Hz. Ces usures sont jugées rédhibitoires après des temps de fonction-
nement de l'ordre de 250 à 350 heures, alors que le potentiel demandé peut
être supérieur à 1000 heures. II en résulte la nécessité de démonter les
rotors
et de déposer leurs pales pour remplacer la batterie de roulements à billes
constituant la butée axiale à billes. Ces opérations de démontage et remontage
des rotors pour remplacer les butées à billes sont extrëmement pénalisantes
aux plans financier et logistique.
De plus, pour éviter un phénomène de fretting-corrosion sur le diamètre
extérieur de la bague extérieure et sur l'alésage de la bague intérieure, il
est
connu de recouvrir les faces correspondantes des bagues intérieure et exté-
rieure d'un dépôt de cuivre.
1 s Le problème à la base de l' invention est de proposer un roulement à
billes du type précité, permettant d'éliminer les effets de faux-brinelling
sur les
bagues des roulements en plus de l'élimination des effets de fretting-
corrosion
sur le diamètre extérieur des bagues extérieures et sur l'alésage des bagues
intérieures des roulements empilés axialement pour constituer une butée axiale
2o à billes.
A cet effet, le roulement à billes à contact oblique selon l'invention, du
type présenté ci-dessus, se caractérise en ce que les billes sont en
céramique,
au moins en surface, et les bagues en acier sont revêtues sur toute leur sur-
face d' une couche de sulfure de molybdène (MoSx) ou de nitrure de titane et
25 d'aluminium (TiAIN).
Avantageusement, cette couche de MoSx ou de TiAIN est une couche
déposée par pulvérisation cathodique, qui permet un excellent accrochage de
la couche sur la matrice en acier de chaque bague.
Avantageusement de plus, les billes sont frittées en céramique, ce qui
3o procure en outre un gain de masse de l'ordre de 10 %, et avantageusement la
céramique est au moins en partie constituée de Si3N4 ou de TiC.
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Un tel roulement bénéficie ainsi de l'excellent comportement tribologi-
que, sous forte charge axiale et niveau vibratoire associé, du type de celui
auxquelles sont soumises les butées axiales à billes des rotors
d'hélicoptères,
du couple de matériaux en contact, c'est-à-dire de la céramique des billes et
de
la couche de MoSx ou de TiAIN des bagues en acier.
Avantageusement de plus, l'acier de la bague extérieure comme l'acier
de la bague intérieure sont choisis parmi les aciers à roulement
traditionnels,
de préférence du type 1 OOC6 ou M50.
La cage à billes du roulement peut avoir une structure connue et être
monobloc et moulée en une matière synthétique, et se centrer sur les billes.
Avantageusement, la matière synthétique de la cage, de préférence du
polyamide 6.6, peut être chargée d'un additif ayant des propriétés de
lubrifica-
tion, de préférence du sulfure de molybdène (MoS2), de sorte que la cage
constitue un réservoir de lubrifiant sec, qui est libéré vers les billes et
les gor-
~ 5 ges de roulements, par l' usure progressive de la cage.
L' invention a également pour objet une butée axiale à billes, qui se ca-
ractérise en ce qu'elle comprend une batterie de plusieurs roulements à billes
à
contact oblique tels que définis ci-dessus, et empilés axialement en contact
les
uns avec les autres, d'une part, par leurs bagues intérieures, et, d'autre
part,
2o par leurs bagues extérieures, avec leur contact oblique incliné dans une
même
direction correspondant à un sens axial de charge de la butée à billes.
En outre, pour permettre une précharge dans le sens de l'effort axial
minimum que doit subir la butée à billes, cette dernière comprend avan-
tageusement de plus un roulement à billes à contact oblique supplémentaire,
25 monté à une extrémité axiale de l'empilement des autres roulements à billes
à
contact oblique, et constituant un roulement de précharge dans le sens axial
opposé au sens de charge des autres roulements à billes dudit empilement
axial.
L'invention concerne enfin l'application d'une butée axiale à billes telle
3o que définie ci-dessus à l'articulation en pas d'une pale d'un rotor
d'hélicoptère
par rapport au moyeu dudit rotor.
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D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la
description donnée ci-dessous, à titre non limitatif, d'un exemple de
réalisation
décrit en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une butée axiale à billes
s comprenant sept roulements à billes à contact oblique, selon l'invention,
- la figure 2 est une coupe transversale à plus grande échelle de l'un des
six roulements de charge identiques de la butée axiale de la figure 1,
- la figure 3 est une coupe transversale à plus grande échelle du sep-
tième roulement à billes de la butée axiale de la figure 1, ce septième roule-
to ment à billes étant un roulement de précharge,
- la figure 4 représente à plus grande échelle un détail de la figure 1,
montrant l'appui axial du roulement de précharge de la figure 3 contre
l'empilement axial de la batterie des six roulements de charge selon la figure
2,
- la figure 5 est une coupe axiale de la cage à billes de l'un des six rou-
~ s lements de charge de la butée axiale de la figure 1,
- la figure 6 représente à plus grande échelle le détail de l'extrémité infé-
rieure de la coupe de la figure 5, et
- la figure 7 est une coupe partielle selon VII-VII de la figure 6.
La figure 1 représente une butée axiale à billes constituée par
20 l'empilement axial de sept roulements à billes à contact oblique, dont une
bat-
terie de six roulements de charge 1 identiques les uns aux autres et empilés
axialement, et un septième roulement à billes à contact oblique 2, qui est un
roulement de précharge, à l'extrémité axiale de droite sur la figure 1 de la
bat-
terie des six roulements de charge 1.
2s A noter que le nombre de roulements empilés de la butée à billes est
directement lié aux charges à supporter par cette butée à billes et peut donc
être supérieur ou inférieur à sept.
Comme représenté sur les figures 1, 2 et 5 à 7, chacun des roulements
de charge 1 est un roulement à billes à contact oblique, comprenant une ran-
3o gée de billes 3 qui sont disposées entre deux pistes de roulements en
regard
l'une de l'autre, et dont l'une est une gorge de roulement intérieure 4 d'une
ba-
gue extérieure 5, et l'autre une gorge de roulement extérieure 6 d'une bague
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intérieure 7. Les gorges de roulement 4 et 6 ont une section par un plan axial
passant par l'axe X-X du roulement qui est en forme d'arc-de-cercle dont la
concavité, pour la gorge intérieure 4, est tournée radialement vers l'axe X-X
du
roulement 1 et axialement ou latéralement du côté opposé au roulement de
s précharge 2, tandis que la concavité de la gorge extérieure 6 est tournée ra-
dialement vers l'extérieur du roulement 1 et axialement ou latéralement du
côté
du roulement de précharge 2. II en résulte, pour chacun des six roulements de
charge 1, un contact oblique des billes 3 entre les gorges 4 et 6, contre les-
quelles les billes 3 sont en contact roulant, qui s'effectue selon des
génératri-
ces d'un cône centré sur l'axe X-X des roulements 1 et 2, et donc de la butée
à
billes, cône dont la trace dans le plan de coupe de la figure 1 est
représentée
par les axes parallèles Y-Y (en haut de la figure 1 ) et Z-Z (en bas de la
figure
1 ).
En raison de cette géométrie des gorges de roulement 4 et 6, la gorge
~5 extérieure 6 est ménagée entre deux parties périphériques latérales de la
ba-
gue intérieure 7 dont l'une 8, à gauche sur les figures 1 et 2, a son diamètre
extérieur supérieur à celui de l'autre partie périphérique latérale 9, alors
que les
deux parties périphériques latérales 8 et 9 de la bague intérieure 7 ont le
même
alésage ou diamètre intérieur. De manière correspondante, la gorge de roule-
2o ment intérieure 4 est formée dans la bague extérieure 5 entre deux parties
pé-
riphériques latérales de cette bague 5 dont l'une 10, sur la gauche des
figures
1 et 2, et donc du même côté que la partie périphérique latérale 8 de la bague
intérieure 7, présente un alésage ou diamètre intérieur supérieur à celui de
l'autre partie périphérique latérale 11 de cette même bague extérieure 5, dont
2s les deux parties périphériques latérales 10 et 11 ont le même diamètre exté-
rieur. De plus, la bague extérieure 5 est décalée axialement par rapport à la
bague intérieure 7, du côté du roulement de précharge 2, c'est-à-dire dans le
sens axial (selon l'axe X-X de la butée à billes) correspondant au sens
d'application de l'effort axial maximum que la butée à billes est destinée à
sup-
3o porter. Enfin, la partie périphérique latérale 11 de la bague extérieure 5
pré-
sente, dans sa partie radiale interne, un chanfrein tronconique 12, divergent
du
côté du roulement de précharge 2, pour permettre, dans l'empilement axial de
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la batterie de roulements de charge 1, le contact axial de la face latérale de
cette partie périphérique latérale 11 contre la face latérale en regard de
l'autre
partie périphérique latérale 10 de la bague extérieure 5 du roulement de
charge
1 immédiatement voisin dans l'empilement axial, sans interférer avec une cage
s à billes 13 qui retient les billes 3 espacées les unes des autres en
direction cir-
conférentielle autour de l'axe X-X de chaque roulement 1, cette cage 13 étant
disposée entre les bagues 5 et 7 du roulement 1.
Les figures 5 à 7 montrent que la cage 13 est monobloc et comporte une
partie périphérique latérale 14, de section transversale sensiblement rectan-
gulaire avec un sommet radial externe et latéral externe 15 qui est
chanfreiné,
la partie périphérique latérale 14 supportant, en saillie sensiblement radiale-
ment vers l'intérieur (vers l'axe X-X) et axialement du côté opposé au sommet
chanfreiné 15, des plots 16 en forme sensiblement de disques circulaires à fa-
ces latérales opposées concaves en calottes sphériques, qui viennent chacun
~5 se loger entre les gorges de roulement 4 et 6 et entre deux billes 3
voisines
pour assurer un centrage de la cage 13 sur les billes 3, tandis que la partie
pé-
riphérique latérale 14 de la cage 13 se loge entre les parties périphériques
laté-
rales 8 et 10 respectivement de la bague intérieure 7 et de la bague
extérieure
5.
2o Le roulement de précharge 2 est également un roulement à billes à
contact oblique, dont les billes 3 sont identiques à celles des roulements de
charge 1, et sont montées en contact roulant entre deux pistes de roulement
sensiblement en regard l'une de l'autre, dont l'une est une gorge de roulement
intérieure 17 d'une bague extérieure 18, et l'autre une gorge de roulement ex-
25 térieure 19 d'une bague intérieure 20. Comme représenté sur les figures 1
et 3,
la concavité de la gorge de roulement intérieure 17 est tournée radialement
vers l'axe X-X et axialement ou latéralement vers l'extérieur de la butée à
bil-
les, du côté opposé aux roulements de charge 1, et la gorge de roulement inté-
rieure 17 est ainsi ménagée entre deux parties périphériques latérales 21 et
22
3o de la bague extérieure 18 dont l'une 21 (sur la gauche des figures 1 et 3)
est
de plus petit alésage ou diamètre intérieur que l'autre 22, les deux parties
péri-
phériques latérales 21 et 22 ayant le même diamètre extérieur, tandis que la
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concavité de la gorge de roulement extérieure 19 de la bague intérieure 20 est
tournée radialement vers l'extérieur, entre deux parties périphériques
latérales
23 et 24 de la bague intérieure 20 qui ont les mêmes alésage et diamètre exté-
rieur. II en résulte que le contact oblique des billes 3 du roulement de pré-
s charge 2 avec les bagues 18 et 20 est moins incliné sur la direction radiale
que
les contacts obliques des roulements de charge 1, l' inclinaison du contact
obli-
que du roulement de précharge 2 étant en outre dans le sens opposé à celui
des inclinaisons des contacts obliques des roulements de charge 1 (voir figure
1, sur laquelle les axes A-A en haut et B-B en bas représentent les traces
dans
le plan de coupe des génératrices du cône des contacts obliques des billes 3
entre les bagues 18 et 20 du roulement de précharge 2).
Le roulement de précharge 2, dont les billes 3 sont également espacées
les unes des autres en direction circonférentielle autour de l'axe X-X par une
cage à billes 25 de structure analogue à celle de la cage 13, mais
sensiblement
~5 symétrique par rapport à un plan radial, est ainsi adapté à reprendre
l'effort
axial minimum s'exerçant sur la butée à billes, dans le sens axial opposé au
sens de charge de l'effort maximum, et sert ainsi à précharger la butée à
billes
lors de son montage en configuration d'utilisation.
Les figures 1 et 4 montrent que, dans l'empilement axial des roulements
2o de charge 1 et du roulement de précharge 2, les roulements de charge 1 sont
également en contact axial les uns avec les autres par leur bague intérieure
7,
par laquelle le roulement de charge 1 directement adjacent au roulement de
précharge 2 est également en appui axial contre la bague intérieure 20 de ce
dernier, dont la bague extérieure 18 est axialement décalée par rapport à sa
25 bague intérieure 20 dans le même sens que sur les roulements de charge 1.
Ceci permet à cette bague extérieure 18 d'être axialement en contact par sa
partie périphérique latérale 21 avec la partie périphérique latérale 11
chanfrei-
née en 12 de la bague extérieure 5 du roulement de charge 1 voisin.
Dans ces roulements 1 et 2, toutes les billes 3 sont frittées en cérami-
3o que, par exemple en Si3N4 ou TiC. Les bagues 5 et 7 des roulements 1 et les
bagues 18 et 20 du roulement de précharge 2 sont en un acier à roulement
traditionnel, par exemple de type 100C6 ou M50, et sont revêtues sur toute
leur
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surface d'une couche de sulfure de molybdène (MoSx), avec de préférence x
égal à ou voisin de 1,7, ou de nitrure de titane et d'aluminium (TiAIN), qui a
été
déposée par pulvérisation cathodique, c'est-à-dire par un procédé dit
« P.V.D. » (Physical Vapour Deposition), tel que le procédé connu sous te nom
de marque déposée « TINALOX » et mis en oeuvre par la société allemande
CemeCon GmbH, Talbotstrasse 21-D-52068 AACHEN - Allemagne. La pulvé-
risation cathodique peut également être assurée par la mise en oeuvre du pro-
cédé P.V.D. développé par le C.E.N.G. (Centre d'Essais Nucléaires de Greno-
ble) du C.E.A. (Commissariat à I 'Energie Atomique) en France, procédé connu
sous la dénomination « MoSx » permettant d'obtenir une pulvérisation cathodi-
que de sulfure de molybdène avec une structure colonnaire de dureté élevée.
Sur des roulements hybrides ainsi obtenus, il est important de noter que
le revêtement de MoSx ou de TiAIN n'est pas seulement présent sur les gorges
de roulement 4, 6, 17 et 19 des bagues 5, 7, 18 et 20 des roulements 1 et 2,
~5 mais également sur leurs autres surfaces, de l'alésage comme du diamètre
extérieur et des faces latérales par lesquelles ces bagues sont en appui axial
les unes contre les autres.
Le bon comportement tribologique de la céramique des billes 3 en
contact avec la couche de MoSx ou de TiAIN des bagues des roulements per-
2o met d'éliminer les effets de faux-brinelling sur ces bagues 5, 7, 18 et 20.
En
outre, un cuivrage appliqué sur le diamètre extérieur des bagues extérieures 5
et 18 et sur l'alésage ou diamètre intérieur des bagues intérieures 7 et 20
des
roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2 permet d'éliminer les
effets de fretting-corrosion, par exemple entre un manchon de pale de rotor
25 d'hélicoptère, dans lequel les bagues extérieures 5 et 18 de la butée
axiale à
billes sont logées et dont elles sont rendues solidaires en rotation, et un
arbre
ou bras du moyeu du rotor, autour duquel les bagues intérieures 7 et 20 des
roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2 sont emmanchées et
dont elles sont rendues solidaires en rotation, pour permettre la commande de
3o pas de la pale par rotation autour de l'arbre ou bras du moyeu.
Les cages 13 et 25, monoblocs et qui se centrent chacune sur les billes
3 correspondantes, sont chacune moulée en une matière synthétique éven-
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tuellement chargée d'un additif choisi pour pouvoir agir comme lubrifiant sec
entre les billes 3 et les bagues lors de l'usure des cages 13 et 25.
Dans cet exemple, chaque cage 13 ou 25 est avantageusement en
polyamide 6.6 chargé en MoS2, de sorte que la cage 13 ou 25 constitue un ré-
servoir de sulfure de molybdène libéré comme lubrifiant sec entre les billes 3
et
les gorges de roulement au fur et à mesure de l'usure des cages 13 et 25.
Dans une butée axiale à billes telle que décrite ci-dessus et représentée
en coupe sur la figure 1, l' ensemble des bagues extérieures 5 et 18, des ba-
gues intérieures 7 et 20, des cages 13 et 25 et des billes 3 des roulements de
charge 1 et du roulement de précharge 2 est un ensemble appairé.
Dans son application comme butée axiale à billes pour la retenue d'une
pale de rotor par son pied contre les forces centrifuges qui sollicitent la
pale en
rotation tout en permettant l'articulation en pas de la pale par rotation
disconti-
nue sur une plage angulaire limitée par rapport à un bras ou arbre radial du
~5 moyeu correspondant, la butée à billes selon l'invention permet d'atteindre
600
heures de fonctionnement suivant des cycles opérationnels de l'hélicoptère
sans regraissage, ce qui double sensiblement la durée de vie des butées à bil-
les constituées par une batterie de roulements à billes à contact oblique
tradi-
tionnels, par rapport auxquels les roulements à billes selon l' invention
offrent
2o en outre un gain de masse substantiel, de l'ordre de 10 %.
